电弧炉电极升降PLC控制系统设计及应用

收稿日期:2002-04-19作者简介:李志宏(1969-),男,山西长冶人,太原钢铁有限公司工程师,硕士,主要从事计算机过程控制等方面的工作。

控制工程Control Eng ineering of China Nov.2002Vol.9,No.62002年11月第9卷第6期文章编号:1671-7848(2002)06-0049-03电弧炉电极升降PLC 控制系统设计及应用李志宏1,杜 娟2,王延明3,张 石3,荣西林3(11太原钢铁(集团)有限公司,山西太原 030304; 2.太原重型机械学院,山西太原 030024;31东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳 110004)摘 要:针对纯模拟器件自耗电极真空电弧炉电极升降控制系统故障率高、维护量大等一系列问题,设计出了由P LC 和模拟调速器组成的电极升降控制系统。

介绍了系统主要硬件配置、S7-300PL C 程序结构、操作面板OP27组态画面,并给出了主程序循环块方框图。

该系统控制算法采用P ID 算法,且根据现场工艺要求实现了从手动到自动的无扰切换功能。

现场运行数据表明,基于PI D 控制规律的电弧炉电极升降PL C 控制系统运行稳定可靠,操作方便,维护量小,对同行业的生产进步将起到示范和推动作用。

关 键 词:电极升降;PL C 控制;程序结构;组态中图分类号:T P 273 文献标识码:A1 引 言目前,自耗电极真空电弧炉电极升降控制系统一般采用纯模拟器件控制方式,实践证明,这种纯模拟器件的控制方式带来诸如故障率高、维护量大、生产成本高等一系列问题。

为了解决这些问题,必须采取一种新的控制方式。

考虑到PLC 功能齐全、应用灵活、操作方便、稳定可靠,是现代控制系统设备的发展方向,并且已成功应用于冶金、石化、机械等多种工业场合,因此,选择PLC,设计出了PLC 和模拟调速器组成的电极升降控制系统。

本文从硬件配置和软件编程两个方面介绍了自耗电极真空电弧炉电极升降PLC 控制系统的设计过程,并对现场运行结果进行了分析,分析表明,该系统完全满足生产要求,达到了预期的效果。

2 硬件配置硬件配置及系统控制原理如图1所示。

1)可编程控制器 SIMAT IC S7-300PLC图1 电极升降PID 控制系统总体结构属于模块化中小型PLC,可自由扩展,应用十分灵活。

本系统S7-300PLC 由电源模块PS 307、中央处理单元CPU 314、模拟量输入模块SM 331、模拟量输出模块SM 332、数字量输入模块SM 321、数字量输出模块SM 322等组成。

2)操作面板 操作面板OP27作为人机界面通过ProTool 组态软件来自定义OP27的显示与操作方法,从而达到过程要求的最佳效果。

OP27通过MPI 电缆与S7-300PLC 相连组成MPI 网。

3)调速器 调速器514C 用于控制直流电动机的速度,且可以工作于4个象限。

它采取电流速度双环负反馈控制方式,内环为电流环,电流环反馈信号由514C 内部电路自检取得;外环为速度环,速度环的反馈信号取自电枢电压,它主要控制直流电机的速度,使之跟踪给定值。

3 系统软件设计311 S7-300PLC 的编程S7-300PLC 的编程语言STEP 7用文件块的形式管理编写的程序及程序运行所需的数据。

1)初始化块OB100 初始化块OB100为程序的运行准备环境变量和参数。

2)组织块OB1 组织块OB1是主程序循环块,其方框图如图2所示。

组织块OB1在执行时要调用FC1,FB1等实现不同功能的功能块,另外,组织块OB1还要定时调用中断块OB35。

3)标度变换块FC1 标度变换块FC1负责把手动给定值、电弧电压设定值、电弧电压值和速度信号值4个数字量分别转换为同实际大小对应的工程量。

4)滤波块FB1 滤波块FB1负责对来自现场的数据进行滤波。

图2 OB1方框图5)定时中断块OB35 定时中断块OB35每隔011s 被组织块OB1调用一次,而OB35执行时要调用控制块FB2。

6)控制块FB2 控制块FB2主要实现手动和自动控制功能。

本文介绍的系统应用于钛的冶炼,要求电弧稳定(即电弧电压和电弧电流都保持稳定),冶炼起始阶段,手动调节引弧,直至电弧稳定,转至自动控制方式。

为确保冶炼电弧始终处于稳定状态,手动到自动必须无扰切换。

由于PID 调节原理简单、适应性好、鲁棒性强、控制效果完全可以满足冶炼钛的要求,因此,本系统采用了PID 调节。

其中引入微分是为了减小超调,抑制被控量的振荡,从而提高系统的稳定性。

设K C 为比例系数,T S 为采样周期,T I 为积分时间,T D 为微分时间,e(k )为偏差信号,则PID 控制器输出:u (k)=K C {e(k)+T ST IE ki=0e(i )+T DT S[e(k )-e(k -1)]}(1)u(k -1)=K C {e(k -1)+T ST IE k-1i=0e(i)+T DT S[e(k -1)-e(k -2)]}(2)$u (k )=u(k )-u(k -1)=Ae(k )+Be(k -1)+Ce(k -2)(3)式中,A =K C (1+T S /T I +T D /T S ),B =-K C (1+2T D /T S ),C =K C T D /T S 。

考虑到偏差e(k )较大时易引起系统稳定性下降,故采取积分分离算法,当|e(k )|>M 时,取消积分作用,即令T I =],则式(3)中,A =K C (1+T D /T S ),B =-K C (1+2T D /T S ),C =K C T D /T S 。

而输出量:u(k )=u (k -1)+$u(k )(4)只要知道上一时刻的输出量,再计算出增量,就可以得出本时刻的控制量。

设调速器接收到的控制量为u T ,手动给定量为u S ,则手动时u T =u S(5)为了实现手动到自动的无扰切换,在手动方式时,始终计算一跟踪补偿量:¨=u S -u k(6)式中,u k 对应于u(k )。

当投入自动方式时,令#50#控 制 工 程 第9卷u T =u k +¨=u k +u S -u k =u S(7)这样就实现了从手动到自动的无扰切换。

312 操作面板OP27组态1)主画面 主画面上设置电极升降控制系统的简易工艺图、交直流电机的运行状态显示、电弧电压显示、电弧电压设定值显示、手动给定值显示、直流电机转速显示以及报警显示。

此外,主画面上,还设置了当前的时间和日期显示。

2)系统运行状态画面 系统运行状态画面设置PLC 状态显示、熔炼方式显示、电极升降控制方式显示、电极气动状态显示等。

3)PID 调节画面 PID 调节画面用以在线调整PID 控制器的参数。

4)报警源查询画面 报警出现后,可进入报警源查询画面查询报警原因。

4 运行结果1)实测数据 根据生产工艺要求,电弧电压设定为30V 时,实测数据见表1。

2)性能指标 ¹电弧电压:?1V;º电弧电流:?10A 。

3)运行曲线由实测数据绘制出系统运行曲线,如图3所示。

4)结果分析 分析实测数据及运行曲线,可知系统超调量小、冶炼电弧稳定,完全符合技术指标要求。

表1 实测数据序 号电弧电压/V电弧电流/A 130.26000230.55998329.15995430.16001530.06000630.56002729.85996829.15998930.260021030.16005图3 运行曲线5 结 语本系统在沈阳市苏家屯炼钛厂已经投入运行将近6个月,运行状况良好,实现了预期的显示和控制功能,冶炼出的钛产品达到设计工艺的要求。

实践证明,电极升降控制采用基于PID 控制规律的PLC 控制系统,操作方便、维护量小、运行稳定可靠,具有一定的推广价值。

参考文献:[1] 李开.现代可编程控制器[M ].北京:科学出版社,1999.[2] 刘元扬,刘德溥.自动检测和过程控制[M ].北京:冶金工业出版社,2000.Design and A pplication of Furnace Electric PoleFluctuation PLC Control SystemL I Zhi -hong 1,D U Juan 2,WAN G Yan -ming 3,Z H ANG Shi 3,RON G X i -lin3(11Tai yuan Iron &Steel (Group)Co.Ltd.,Taiyuan 030304,China;21T aiyuan Heavy M achinery Institute,Taiyuan 030024,China;31School of Information Science and Engi n eering,Northeastern University,Shenyang 110004,Ch i na)Abstract:A iming at a series of pr oblems such as high failure rate,a great deal of maintenance resulting from the sel-f consump -tion electric pole v acuum ar c fur nace electr ic pole fluctuation control system consisting of simple analog dev ice,the electric polefluctuation control system consisting of PL C and analog speed regulator is desig ned.T he main hardw are of the system,the S7-300PL C program architecture and the configuration field of the operating panel OP27ar e introduced.And the skeleton diag ram of t he main progr am circulation block is also given.PID algorithm is adopted in the system,and the functio n of non -distur bance shift ing from manual mode to automatic mode is realized accor ding to field process requir ement.T he data g ot from field man-ifests that ar c fur nace electr ic pole fluctuation PL C co ntrol system based on PI D control rule has features of stable running ,con -venient operation and little maintenance.T he system w ill promote demonstration and impulse funct ion to pro duction advance -ment of the same trade.Key words:electric pole fluctuation;PL C control;pr ogram architecture;config uration#51#第6期 李志宏等:电弧炉电极升降PLC 控制系统设计及应用。